CC BY
14
Оригинальная статья/Original article_
УДК 664.765
DOI: http://doi.org/10.20914/2310-1202-2019-1-190-195_
Влияние растительных биокорректоров на состояние влаги _в мучных изделиях функционального назначения_
Наталья С. Родионова rodionovast@mail.ru
Евгений С. Попов e_s_popov@mail .ru
Дмитрий И. Матвеев 1 matveevd00@mail.ru
Елена С. Певцова 1 beloch64@mail .ru
Алина В. Соколова alinasokolova.1999@mail.ru
Андрей А. Дьяков 1 8-983-182-32-82@mail.ru
1 Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия
Аннотация. Разработка новых технологических решений в области ежедневно употребляемых продуктов питания, обладающих направленным корректирующим воздействием в отношении пищевого статуса организма человека и увеличенным сроком годности является важной и актуальной задачей. Одним из альтернативных вариантов решения поставленной проблемы является введение в состав ежедневного рациона мучных изделий (сухари, галеты, хлебцы), обогащенных биологически активными веществами растительного происхождения, являющихся экономически доступными для широких слоев населения и пригодными для реализации в сетевом формате, вследствие значительных сроков годности. В работе проведены экспериментальные исследования по оценке влияния вводимых биологически активных веществ на срок годности мучных изделий посредством исследования изменения содержания и соотношения различных форм связанной влаги. Исследование состояния влаги в мучных изделиях осуществляли методом дифференциально-термического анализа с помощью прибора синхронного термического анализа, с применением методов термогравиметрии, дифференциально-сканирующей калориметрии и неизотермической кинетики. Объектами исследований являлись образцы мучных изделий содержащих композицию из частично обезжиренной муки зародышей пшеницы «Витазар» и отрубей пшеничных, в состав которой дополнительно вводили порошок из морской капусты, изолят соевого белка, изолят горохового белка, муку семян черного тмина. Контролем служили образцы мучных изделий (галеты), изготовленные по традиционной технологии. Количественную оценку соотношения фракций влаги с различной связью проводили методами термогравиметрии, дифференциально-сканирующей калориметрии и неизотермической кинетики. Определены диапазоны эндотермических эффектов, свидетельствующие о ступенчатом удалении влаги, в соответствии с формами и энергией ее связи с биополимерами экспериментальных образцов. Сравнение характеристик тепловых эффектов, зафиксированных в процессе термолиза образцов мучных изделий, позволяет констатировать возрастание доли химически связанной влаги в опытных образцах, по сравнению с контрольным образцом и как следствие - увеличение срока годности.
Ключевые слова: растительные биокорректоры, мучные изделия, дифференциально-сканирующая калориметрия, термогравимет-
Vegetable biocorrectors influence on the moisture state _in functional purpose flour products_
Natalia S. Rodionova 1 rodionovast@mail.ru Evgenij S. Popov 1 e_s_popov@mail.ru Dmitrij I. Matveev 1 matveevd00@mail.ru Elena S. Pevtsova 1 beloch64@mail.ru Alina V. Sokolova 1 alinasokolova.1999@mail.ru _Andrej A. Diakov 1 8-983-182-32-82@mail.ru_
1 Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia
Abstract. The development of new technological solutions in the field of daily consumed food products, which have a directed corrective impact on the nutritional status of the human body and an extended shelf life is an important and urgent task. One of the alternative solutions to the problem faced is the introduction of flour products (crackers, biscuits, bread), enriched with biologically active substances of plant origin into the daily ration. They are economically accessible to the general population and suitable for sale in a network format, due to significant shelf life. Experimental studies to assess the effect of introduced biologically active substances on the shelf life of flour products through the study of changes in the content and ratio of various forms of bound moisture were carried out in the work. The study of moisture state in flour products was carried out by the method of differential thermal analysis using a synchronous thermal analysis device using thermogravimetry, differential scanning calorimetry and non-isothermal kinetics. The objects of research were samples of flour products containing the composition of partially defatted wheat germ flour "Vitazar" and wheat bran, which were additionally added with seaweed powder, soy protein isolate, pea protein isolate, black cumin seed flour. Samples of flour products (biscuits) made according to traditional technology served as controls. A quantitative assessment of the ratio of moisture fractions with various bonds was carried out by the methods of thermogravimetry, differential scanning calorimetry and non-isothermal kinetics. The ranges of endothermic effects, indicating stepwise moisture removal, in accordance with the forms and energy of its connection with the experimental samples biopolymers were identified in the work. Comparison of thermal effects characteristics recorded in the process of thermolysis of flour products samples, allows us to state an increase in the chemically bound moisture share in the test samples, as compared with the control sample and, as a result, an increase in shelf life. Keywords: vegetable biocorrectors, flour products, differential scanning calorimetry, thermogravimetry, non-isothermal kinetics
Для цитирования
Родионова Н.С., Попов Е.С., Матвеев Д.И., Певцова Е.С., Соколова А.В., Дьяков А.А. Влияние растительных биокорректоров на состояние влаги в мучных изделиях функционального назначения // Вестник ВГУИТ. 2019. Т. 81. № 1 190-195. <Ъг10.20914/2310-1202-2019-1-190-195
190 БД Agris
For citation
Rodionova N.S., Popov E.S., Matveev D.I., Pevtsova E.S., Sokolova A.V., Diakov A.A. Vegetable biocorrectors influence on the moisture state in functional purpose flour products. Vestnik VGUTT [Proceedings of VSUET]. 2019. vol. 81. no. 1. pp. 190-195. (in Russian). doi:10.20914/2310-1202-2019-1-190-195
Введение
По данным Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи, пищевой статус населения РФ не является оптимальным и полноценным, что является алиментарной причиной роста патологических состояний [6, 7]. В настоящее время отмечается снижение содержания витаминов, минеральных веществ, ПНЖК в продуктах питания вследствие применения интенсивных агротехнологий, что приводит к разного рода микроэлементозам, авитаминозам, выражающимся в различных обменных нарушениях и аутоимунных заболеваниях. Мучные изделия длительного срока хранения - сухари, галеты, хлебцы - важная часть рациона питания. Обогащение этих продуктов минеральными веществами, витаминами, белками открывает возможности направленного позитивного биокорректирующего влияния на различные функции организма с целью профилактики и лечения широкого круга заболеваний алиментарного характера [8-10]. Особенно актуальны высокопротеиновые продукты, обогащенные минеральными элементами и витаминами природного происхождения, источниками которых являются продукты глубокой переработки растительного сырья - зародышей пшеницы, гороха, сои, морской капусты, семян черного тмина. Выбранные биокорректирующие ингредиенты содержат протеины и полисахариды, обладающие высокой влагосвязывающей и влагоудерживающей способностью, что способствует повышению стабильности показателей качества галетных изделий функционального назначения при хранении.
Материалы и методы
Экспериментальное исследование состояния влаги в мучных изделиях проводили с помощью прибора синхронного термического анализа (ТГ-ДТА/ДСк), модель STA 449 F3 Jupiter, методами термогравиметрии, дифференциально-сканирующей калориметрии и неизотермической кинетики с нахождением степени превращения а.
Данный метод позволяет регистрировать тепловые эффекты физико-химических и структурных изменений, происходящих в продукте при управляемом воздействии высокой температурой. Метод термогравиметрии обеспечивает контроль изменения массы исследуемого образца при нагреве или охлаждении в диапазоне температур, соответствующих фазовым превращениям влаги в образце. Для получения дифференциальных зависимостей dTr и ОДСК использовали программное обеспечение MS Ехсе1 и NETZSCH Proteus. Нагрев производили в диапазоне температур 25-300 оС, скорость нагрева составляла 5 К/мин, использовали тигли из оксидированного алюминия, среда -газообразный азот, класс 5, расход продувочного газа - 60 мл/мин. Количественную оценку фракций влаги различных форм связи проводили по экспериментальным данным в соответствии с методикой [1-5]. В базовый состав исследуемых протеиновых галет, обогащенных минералами и витаминами, входили: тапиоковый крахиал, куриные яйца, сычужный сыр жирностью не менее 45%, композиция растительных масел, оптимизированная по соотношению омега-3-омега-6 жирных кислот, вода (образец 6 - контроль). В качестве биокорректоров - дополнительных источников протеинов, пребиотиков, минералов и витаминов, пролонгирующих сроки годности протеиновых галет, исследовали композицию из частично обезжиренной муки зародышей пшеницы «Витазар» и отрубей пшеничных в соотношении 1:1 (образец № 1). В состав данной композиции дополнительно вводили порошок из морской капусты (образец № 2), изолят соевого белка (образец № 3), изолят горохового белка (образец № 4), муку семян черного тмина (образец № 5).
Результаты и обсуждение
На основе полученных экспериментальных зависимостей было зафиксировано наличие эндотермических эффектов и соответствующих им изменений массы образцов (таблица 1).
Таблица 1.
Тепловые эффекты в процессе термолиза образцов мучных изделий
Table 1.
Thermal effects in the process of thermolysis of samples of flour products
Образец Sample Эндотермический эффект Endothermic effect Температурный интервал, AT, oC Temperature interval, AT, oC Энтальпия, Дж/кг Enthalpy, Дж/кг Изменение массы образца, % Sample weight change, %
1 2 3 4 5
1 I 57-79 2,022 3,1
II 243-294 18,44 21,2
2 I 54-82 5,044 2,6
II 264-290 4,367 12,2
BecmwuKjBry^T/Proceedings of VSUET, Т. 81, № 1, 2019
Продолжение табл. 1 | Continuation of table 1
3 I 54- -83 4,349 2,7
II 267- -294 5,222 17,1
4 I 60- -75 5,658 2,3
II 258- -293 5,216 15,2
5 I 53- -86 7,007 2,7
II 247- -292 14,21 19,2
6 (контроль I 56- -85 3,619 4,5
control) II 233- -293 19,14 23,3
В результате термического анализа исследуемых образцов выделены эндотермические эффекты 1-11, соответствующие процессам удаления свободной и осмотически связанной влаги, в различных температурных диапазонах: № 1 - 57..79 и 243..294 °С; № 2 - 54..82 и 264..290 °С; № 3 - 54..83 и 267..294 °С; № 4 - 60..75 и 258..293 °С; № 5 - 53..86 и 247..292 °С; № 6 (контроль) - 56..85 и 233..293 °С.
По возрастанию величины диапазона температуры, при которой наблюдается эндотермический эффект, исследуемые образцы можно распределить следующим образом: № 6 (контроль), 3, 5, 2, 1 и 4. Полученные данные свидетельствуют о возрастании степени связывания влаги в образцах, содержащих растительные биоактивные компоненты, вследствие дополнительного
связывания влаги содержащимися в составе биополимерами. В процессе термического воздействия масса навесок исследуемых образцов изменялась, остаточная масса контрольного образца составила 59,91%, а опытных образцов - № 1 -64,11%, № 2 - 63,98%, № 3 - 61,55%, № 4 -65,54%, № 5 - 62,34%. Наибольшая степень связанности влаги отмечается в образце № 4.
Преобразование участка зависимости изменения массы ТГ, соответствующего процессу дегидратации в указанных выше температурных интервалах, позволило получить зависимость превращения вещества а, мг/мг, от температуры образца Т, К (рисунок 1). Степень превращения вещества вычисляли по отношению текущего изменения массы Л т, на момент времени т к общему изменению массы Л тшах.
Рисунок 1. Зависимость степени превращения а от абсолютной температуры нагрева - Т образцов мучных изделий с включением растительных компонентов (1-5) и контрольного образца (6)
Figure 1. Dependence of the conversion а on the absolute heating temperature - T samples of flour products with the inclusion of plant components (1-5) and the control sample (6)
Полученные зависимости а=/(Т) имеют 8-образный вид, соответствующий сложному процессу дегидратации образцов и высвобождения фракций влаги с различной энергией связи на различных этапах термического анализа.
Интервалы степени превращения Ла, соответствующей первой (свободной), второй (механически связанной) и третьей (химически связанной) ступени удаления влаги, представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Характеристика дегидратации образцов мучных изделий
Table 2.
Characteristics of the dehydration of samples of flour products
Образец Sample Номер ступени дегидратации Dehydration stage number АТ, К Аа Массовая доля удаляемой влаги, % Mass fraction of moisture removed, %
1 298-343 0-0,12 4,30
1 2 343-429 0,12-0,82 25,12
3 429-445 0,82-1,0 6,46
1 298-344 0-0,16 5,76
2 2 344-430 0,16-0,84 24,49
3 430-447 0,84-1,0 5,76
1 298-349 0-0,21 8,07
3 2 349-422 0,21-0,87 25,37
3 422-451 0,87-1,0 4,99
1 298-351 0-0,11 2,79
4 2 351-434 0,11-0,78 24,08
3 434-452 0,78-1,0 7,13
1 298-339 0-0,19 7,15
5 2 339-426 0,19-0,86 25,23
3 426-442 0,86-1,0 5,27
6 1 298-360 0-0,23 11,22
(контроль 2 360-434 0,23-0,84 24,45
control) 3 434-470 0,84-1,0 4,41
Зависимость ^а^(103/7) позволяет идентифицировать три фазы дегидратации образцов, соответствующие высвобождению влаги различных форм и энергий связи. 1-я фаза процесса - участки А, В, - нагрев и удаление свободной влаги, 2-я фаза - участки В, С, - удаление адсорбционно и осмотически связанной влаги, частичное разложение продукта, 3-я фаза процесса дегидратации - участки
С, Вг - разложение продукта, выделение газообразных продуктов термического разложения и удаление физико-химически связанной влаги (рисунок 2, таблица 2). Аппроксимация полученных кривых позволяет получить трехлинейные сплайны. Выделенные участки свидетельствуют о ступенчатом удалении влаги в соответствии с формами ее связи с биополимерами экспериментальных образцов.
Рисунок 2. Зависимость - lga=(103/T) при скорости нагрева среды 5 К/мин для образцов мучных изделий с включением растительных компонентов (1-5) и контрольного образца (6)
Figure 2. The dependence - lga=(103/T) at a heating rate of 5 K/min for samples of flour products with the inclusion of plant components (1-5) and the control sample (6)
На участках А1В1-А6В6 при температуре 298-360 К происходит разрушение связей типа «вода-вода», количество удаляемой влаги составляет 4,30, 5,76, 8,07, 2,79, 7,15% в образцах № 1-5 соответственно и 11,22% - в контрольном образце. Участки В1 С1 - Вб Сб располагаются в диапазоне температур 343-434 К и соответствуют удалению механически связанной (адсорбционной) влаги, массовая доля удаляемой влаги составила 25,12, 24,49, 25,37, 24,08, 25,23% для исследуемых образцов № 1-5 соответственно и 24,45% - для контрольного образца. Сопоставление участков С1 D1 - С6 D6 опытных и контрольных образцов, располагающихся в температурном диапазоне 422-470 К, свидетельствует о возрастании доли физико-химически связанной влаги.
ЛИТЕРАТУРА
1 Коротков Е.Г., Пономарев А.Н., Мельникова Е.И. и др. Исследование форм связи влаги в твороге с микропартикулятом сывороточных белков // Молочная промышленность. 2016. № 8. С. 31-32.
2 Магомедов Г.О., Плотникова И.В., Кузнецова И.В., Наумченко И.С. Исследование форм связи зефира различного состава методом термического анализа // Вестник ВГУИТ. 2017. Т. 79. № 3. С. 42-50.
3 Родионова Н.С., Кузнецова И.В., Зацепилина Н.П. и др. Влияние формы связи влаги фаршевых систем на основе различного рыбного сырья методом DTA // Хранение и переработка сельхозсырья. 2010. № 12. С. 39-40.
4 Пожидаева Е.А., Илюшина А.В., Болотова Н.В., Иванова Е.В. Исследование форм связи влаги в творожных продуктах методом дифференциально-сканирующей калориметрии и термогравиметрии // Пищевая промышленность. 2018. № 11. С. 73-77.
5 Ухарцева И.Ю., Кадолич В., Ткачева Л.В. Методы исследования продовольственного сырья и пищевых продуктов и опыт их применения // Потребительская кооперация. 2014. № 1 (44). С. 66-74.
6 Пожидаева Е.А., Швырева М.А., Дымовских Я.А. Разработка технологии замороженного молочного продукта с биокоррегирующими свойствами // Инновационные технологии в пищевой промышленности: наука, образование и производство: материалы IV Международной заочной научно-технической конференции. Воронеж: ВГУИТ, 2017. С. 677-679.
7 Родионова Н.С. , Попов Е.С. , Пожидаева Е.А. , Колесникова Т.Н. Функциональные композиций биокорректирующего действия на основе продуктов глубокой переработки низкомасличного сырья // Пищевая промышленность. 2017. № 6. С. 54-56.
8 Kapreliants L., Zhurlova O. Technology of wheat and rye bran biotransformation into functional ingredients // International Food Research Journal. 2017. V. 24. № 5. P. 1975-1979.
9 Aksenova L.M., Rimareva L.V. Directed conversion of protein modules of plant and animal foods // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2017. V. 87. № 2. P. 132-134.
Заключение
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что сравнение характеристик рассмотренных температурных интервалов позволяет констатировать возрастание доли химически связанной влаги в опытных образцах по сравнению с контрольным образцом и, как следствие, увеличение срока годности. Полученные данные позволяют предположить наличие развитой пористой структуры у дополнительно вводимых растительных биообъектов, что помогает удерживать влагу внутренним объемом, в том числе капиллярно-связанную.
10 Babinets P.P., Sokolovskiy S.I., Sokolovskiy I.I., Prohorov G.V. et al. Energy and information technologies in regenerative medicine: effect of the interaction of biologically active plant substrates with the human body // Journal of Education, Health and Sport. 2015. V. 5. №. 6.
REFERENCES
1 Korotkov E.G., Ponomarev A.N., Mel'nikova E.I. et al. Study of the forms of communication of moisture in the curd with microparticulate whey proteins. Molochnaya promyshlennost' [Dairy industry]. 2016. no. 8. pp. 31-32. (in Russian).
2 Magomedov G.O., Plotnikova I.V., Kuzne-cova I.V., Naumchenko I.S. Investigation of the connection forms of marshmallow of different composition by the method of thermal analysis. Vestnik VGUIT [Proceedings of VSUET]. 2017. vol. 79. no. 3. pp. 42-50. (in Russian).
3 Rodionova N.S., Kuznecova I.V., Zacepilina N.P. et al. Influence of the form of moisture connection of farce systems based on various fish raw materials using the DTA method. Khraneniye ipererabotka sel'khozsyr'ya [Storage and processing of agricultural raw materials]. 2010. no. 12. pp. 39-40. (in Russian).
4 Pozhidaeva E.A., Iljushina A.V., Bolotova N.V., Ivanova E.V. Investigation of forms of moisture communication in curd products using the method of differential scanning calorimetry and thermogravimetry. Pishchevaya promyshlennost' [Food Industry]. 2018. no. 11. pp. 73-77. (in Russian).
5 Uharceva I. Ju., Kadolich V., Tkacheva L.V. Research methods for food raw materials and food products and experience of their use. Potrebitel'skaya kooperatsiya [Consumer cooperation]. 2014. no. 1. pp. 66-74. (in Russian).
6 Pozhidaeva E.A., Shvyreva M.A., Dymovskih Ja.A. Development of technology for frozen dairy product with biocorrective properties. Innovatsionnyye tekhnologii v pishchevoy promyshlennosti: nauka, obrazovaniye i proizvodstvo [Innovative technologies in the food industry: science, education and production: materials of the IV International correspondence scientific and technical conference]. Voronezh, VSUET, 2017. pp. 677-679. (in Russian).
7 Rodionova N.S., Popov E.S., Pozhidaeva E.A., Kolesnikova T.N. Functional compositions of biocorrection action on the basis of products of deep processing of low oil raw materials. Pishchevaya promyshlennost' [Food Industry]. 2017. no. 6. pp. 54-56. (in Russian).
8 Kapreliants L., Zhurlova O. Technology of wheat and rye bran biotransformation into functional ingredients. International Food Research Journal. 2017. vol. 24. no. 5. pp. 1975-1979.
9 Aksenova L.M., Rimareva L.V. Directed conversion of protein modules of plant and animal foods.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Наталья С. Родионова д.т.н., профессор, кафедра сервиса и ресторанного бизнеса, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, rodionovast@mail.ru
Евгений С. Попов д.т.н., профессор, кафедра сервиса и ресторанного бизнеса, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, e_s_popov@mail.ru
Дмитрий И. Матвеев студент, кафедра сервиса и ресторанного бизнеса, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, matveevd00@mail.ru
Елена С. Певцова студент, кафедра сервиса и ресторанного бизнеса, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, beloch64@mail.ru
Алина В. Соколова студент, кафедра сервиса и ресторанного бизнеса, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, alinasokolova.1999@mail.ru Андрей А. Дьяков экстерн, кафедра сервиса и ресторанного бизнеса, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, 8-983-182-32-82@mail.ru
КРИТЕРИЙ АВТОРСТВА Наталья С. Родионова предложила методику проведения эксперимента, написала рукопись, корректировал ее до подачи в редакцию
Евгений С. Попов обзор литературных источников по исследуемой проблеме, выполнил расчеты, несет ответственность за плагиат
Дмитрий И. Матвеев, Елена С. Певцова, Алина В. Соколова, Андрей А. Дьяков провели эксперимент
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. ПОСТУПИЛА 10.01.2019 ПРИНЯТА В ПЕЧАТЬ 18.02.2019
Herald of the Russian Academy of Sciences. 2017. vol. 87. no. 2. pp. 132-134.
10 Babinets P.P., Sokolovskiy S.I., Sokolovskiy I.I., Prohorov G.V. et al. Energy and information technologies in regenerative medicine: effect of the interaction of biologically active plant substrates with the human body. Journal of Education, Health and Sport. 2015. vol. 5. no. 6.
INFORMATION ABOUT AUTHORS Natalia S. Rodionova Dr. Sci. (Engin.), professor, service and restaurant business department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, rodionovast@mail.ru
Evgenij S. Popov Dr. Sci. (Engin.), professor, service and restaurant business department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19, Voronezh, 394036, Russia, e_s_popov@mail.ru
Dmitrij I. Matveev student, service and restaurant business department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19, Voronezh, 394036, Russia, mat-veevd00@mail.ru
Elena S. Pevtsova student, service and restaurant business department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19, Voronezh, 394036, Russia, beloch64@mail.ru
Alina V. Sokolova student, service and restaurant business department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19, Voronezh, 394036, Russia, alinasokolova.1999@mail.ru
Andrej A. Diakov extern, service and restaurant business department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19, Voronezh, 394036, Russia, 8-983-182-32-82@mail.ru
CONTRIBUTION Natalia S. Rodionova suggested the methodology for conducting the experiment, wrote the manuscript, corrected it before filing to the editorial office
Evgenij S. Popov review of the literature on the problem, performed calculations, is responsible for plagiarism
Dmitrij I. Matveev, Elena S. Pevtsova, Alina V. Sokolova, Andrej A. Diakov conducted an experiment CONFLICT OF INTEREST The authors declare no conflict of interest. RECEIVED 1.10.2019 ACCEPTED 2.18.2019
